CN101848032B - 一种在无线mesh网络中基于冲突避免的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MESH网络中基于冲突避免的调度方法，包括：确定MSH-DSCH消息的预留时隙，计算MSH_DSCH消息的优先级；节点收集冲突域范围内两跳邻居节点的下一次发送的传输时机编号，在该节点保存的二进制位图上将该发送时刻更新为不可用资源；统计所有两跳范围内邻居节点个数，确定本节点的发送时机与两跳范围内邻居节点的下一次发送时机是否发生冲突；如果发生冲突，在该节点的传输时机前将候选竞争节点集合按照优先级排列，根据二进制位图形成空余时隙集合，对候选竞争节点集合和空余时隙集合进行映射，选择在预留时隙发送或者竞争同一个预留时隙；在该节点的传输时机中，发送包含本节点下一次发送时机的控制消息。

Description

一种在无线MESH网络中基于冲突避免的调度方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，本发明涉及无线网状网(MESH)中基于冲突避免的调度方法。

背景技术

IEEE 802.16无线城域网(Wireless MAN)能够在城域范围内提供高速无线接入，其中定义了两种模式：点对多点(PMP)模式和MESH模式。在MESH模式下，用户站(ss)之间可构成小规模的1～2跳的多点到多点的无线连接，没有明确的独立上下行链路子帧。每个站能够与网络中的其它站建立直接的通信链路。由于MESH覆盖范围大，覆盖区路径损失小，因此MESH在多跳环境下用户吞吐量较PMP大。

在MESH网络中，帧结构采用时分复用(TDD)模式，为了实现分布式节点之间的协同传输，在时域上每一帧包括控制子帧(Control Subframe)和数据子帧(Data Subframe)，其中，控制子帧主要用于网络控制和调度控制，控制子帧分别传输网络控制子帧和调度控制子帧。网络控制子帧用来创建和维持不同系统间的协调工作，发送网络接入(MSH-ENTRY)消息和网络配置(MSH-NCFG)消息。MSH-ENERY消息为新节点接入网络提供同步和初始化的方式。MSH-NCFG消息提供不同系统节点间的基本通信，如节点的能量、天线、物理逻辑信道信息以及调度参数等。调度控制子帧用来协调不同系统间的数据传输调度，发送网络分布式调度消息(MSH-DSCH)。MSH-DSCH消息用于实现两跳范围内分布式节点之间带宽资源预留以及协同传输，减少节点之间数据的传输冲突，同时调度控制子帧还描述数据子帧的分配情况。IEEE802.16e协议中对这三种消息给出了初步调度方法，但是该技术方案只预测控制消息发送时机的区间，另外在预测出的时机区间中出现冲突或者出现节点信息未知(例如新节点入网)的情况时，无法解决冲突。

发明内容

为克服现有无线MESH网络中不能完全解决网络冲突的缺陷，本发明提出无线MESH网络中基于冲突避免的调度方法。

根据本发明的一个方面，提出了一种MESH网络中基于冲突避免来调度MSH-DSCH消息的方法，包括：

步骤S1)、根据网络的帧结构确定调度控制子帧的预留时隙，根据MSH_DSCH消息中包含的业务类型和对应数量计算MSH-DSCH消息的优先级；

步骤S2)、节点收集冲突域范围内两跳邻居节点的下一次传输时机编号，在该节点保存的二进制位图上将该发送时刻更新为不可用资源，其中，二进制位图中不可用资源指控制消息不可用的发送时机；

步骤S3)、统计所有两跳范围内邻居节点个数，确定本节点的发送时机与两跳范围内邻居节点的下一次发送时机是否发生冲突；

步骤S4)、如果发生冲突，在该节点的传输时机前将候选竞争节点集合按照优先级排列，根据二进制位图形成空余时隙集合，对候选竞争节点集合和空余时隙集合进行映射；

步骤S5)、对于信息未知的节点或者在步骤S4)中映射不成功的节点，选择在预留时隙发送或者竞争同一个预留时隙；在该节点的传输时机中，发送包含本节点下一次发送时机的控制消息。

其中，步骤S4)还包括：

确定本节点的发送时机与两跳范围内邻居节点的下一次发送时机未发生冲突后，节点在其传输时机中预测下一次竞争成功的传输时机的编号。

其中，步骤S4)进一步包括：

步骤S41)、对于任意节点k，设置静默时间＝H_k+H_p+1，其中，静默时间是指本次发送结束之后发送下一次消息之间的等待时间，H_k为静默的帧数，H_p为静默的传输时机数；

步骤S42)、根据冲突域内节点个数Nk设置H_k＝Nk帧；

步骤S43)、根据MSH_DSCH消息优先级计算静默的传输时机数，其中，对于第一优先级，从每帧的开始搜索；对于第二优先级，则从每帧的末尾搜索；对于第三优先级，则从每帧的中间搜索；

步骤S44)、预测本节点的发送时机，TX＝XK+静默时间；如果TX值为不可用资源，执行TX++，否则，使用该TX为下一次发送时机或者使用最近一个预留时隙。

通过应用本发明，使得在消息发送过程中可以预测控制消息发送的具体时刻，在预测出的时机区间中出现冲突或者出现节点信息未知的情况时，可以相应的解决冲突。

附图说明

图1是根据本发明实施例的无线MESH网络中冲突避免的调度方法图；

图2是MSH_DSCH调度子帧的结构示意图；

图3是资源二进制位图；

图4是不同优先级的MSH_DSCH调度子帧的示意图；

图5是根据本发明实施例的MSH_DSCH计算静默TO数的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种MESH网络中基于冲突避免的调度方法进行详细描述。

在IEEE802.16协议中，MSH-ENTRY消息、MSH-DSCH消息和MSH-NCFG消息都是无线MESH网络中必需调度的控制消息。在根据本发明的实施例提供的一种MESH网络中基于冲突避免的调度方法中，MSH-ENTRY消息的调度方法与IEEE802.16协议中给出的方法相同，此处不再赘述。本发明主要用于描述MESH网络中基于冲突避免调度MSH-DSCH消息和MSH-NCFG消息的方法，本领域内的普通技术人员可以理解，调度MSH-DSCH消息的方法和调度MSH-NCFG消息的方法可以单独或者组合执行。下面分别描述调度MSH-DSCH消息和MSH-NCFG消息的方法的具体实施例。

MSH-DSCH的调度

MSH-DSCH消息格式可以参见IEEE802.16协议。如果节点请求发送业务数据，则将该请求包含在MSH-DSCH_Request_IE()中，如果节点收到其他节点发送的MSH-DSCH_Request_IE()，表示存在待处理的业务请求，则将对于该业务请求处理的内容放在MSH-DSCH_Grant_IE回复给请求节点(从授权节点发往请求节点)。请求节点再将确认的信息放在MSH-DSCH_Grant_IE中回复给授权节点(从请求节点发往授权节点)，这样的过程即为完成一次带宽协商，或者三次握手。

在本发明的一个实施例中，图1示出一种MESH网络中基于冲突避免调度MSH-DSCH消息的方法的流程图，该方法总的包括：步骤S1)、根据帧结构计算调度控制子帧的预留时隙；步骤S2)、根据MSH_DSCH消息所包含的各种类型的业务和各种业务的数量计算各消息的优先级；步骤S3)、节点收集冲突域范围内两跳邻居节点的下一次传输时机(transport opportunity，TO)编号，在该节点保存的可用资源二进制位图上将该发送时刻更新为不可用资源；步骤S4)、节点统计所有两跳范围内邻居节点个数Nk；步骤S5)、判断本节点的发送时机与两跳范围内邻居节点的下一次发送时机是否发生冲突；如果发生冲突，进入步骤S6，如果没有发生冲突，进入步骤S7；步骤S6)、在该节点的TO到来之前将自己的候选竞争节点集合Candidate[]按照priority()的大小排列，根据二进制位图形成空余时隙集合Idletime[]，对Candidate[]和Idletime[]进行映射；步骤S7)、信息未知的节点或者映射不成功的节点，选择在预留的时隙发送或者竞争同一个预留时隙；步骤S7)、节点在其TO中预测自己下一次竞争成功的TO的编号；步骤S8)、在该节点的TO中，节点发送准备好的、包含本节点下一次发送时机的控制消息。

更具体地，以下进一步参考图1，详细描述本发明的方法的步骤。

在步骤S1中，计算调度控制子帧的预留时隙，其中如果一帧包含2^m个控制时隙(TO)，则预留时隙的个数为2m-2。MSH-DSCH调度子帧结构分为调度时隙和预留时隙，其中预留时隙用于新节点或者预测冲突节点，其它优先级高的节点也可以使用，如图2所示。

在步骤S2中，根据MSH_DSCH消息所包含的各种类型的业务和各种业务的数量计算各消息的优先级。业务类型分为三种，包括短报文业务(Short MessageService，SMS)、实时业务(real-time Service，rtS)、非实时业务(Non-real-time Service，nrtS)。其优先级是从SMS、rtS、nrtS依次降低。所述的SMS业务是应特殊应用场景需要而设计的，主要是指一些短报文的命令、指示和响应等，这种类型的业务由于其特殊的用途而使得其要求的话音质量以及实时性安全性较高，将其置为最高优先级。rtS业务是针对普通的语音、视频或图片传输等业务而设计的，其特点是支持对实时性要求较高的数据流业务，优先级为次优。nrtS业务是优先级最低的一种业务类型，特点是支持可以容忍时延的可变包长的数据流，例如FTP传输等。每个节点所发送的MSH-DSCH(MESH网络分布式调度消息)消息中可以包含发送给多个其它节点的REQ_IE(请求信息元素)或GRANT_IE(授权信息元素)，即每一次MSH_DSCH消息针对多用户的多条连接，因此可以对MSH_DSCH的优先级进行一个综合评判。计算MSH_DSCH的优先级的原则包括：给每种类型的业务赋以分别为WSMS、WrtS、WnrtS的一个权值，该权值根据不同的业务类型确定。在MSH_DSCH消息中各种类型连接的数量分别为NSMS、NrtS、NnrtS。则MSH_DSCH消息的优先级定义为：

Priority()＝WSMS*NSMS+WrtS*NrtS+WnrtS*NnrtS，(Min＜priority＜Max)

此外，本领域内的普通技术人员可以理解优先级划分和业务类型划分可以根据需要进行不同的调整，调整的优先级顺序和业务种类不影响本发明的方法的执行。

在步骤S3中，无线MESH网络中的节点收集冲突域范围内两跳邻居节点的下一次发送的TO编号，根据该TO编号在本节点保存的可用资源二进制位图上将该发送时刻更新不可用资源。图3示出可用资源二进制位图，其中可用资源是指控制消息发送可用的时机，例如某一时刻i空闲，没有被其他节点占用，则二进制位图上i为0表明本节点可用。其中，冲突域是指本节点两跳范围内包含的所有节点，这是因为MESH网络中节点的冲突都是发生在两跳范围之内的。

在步骤S5中，判断本节点k的发送时机与两跳范围内邻居节点的下一次发送时机是否发生冲突。其中，本节点k的发送时机和邻居的下一次发送时机是否一样，一样则表明冲突。如果发生冲突，进入步骤S6，如果没有冲突，进入步骤S7。

在步骤S6中，如果发送冲突，则在第Xk个TO到来之前将自己的候选竞争节点集合Candidate[]按照priority()的大小排列；搜索二进制位图，检查发送前空余时隙，形成空余时隙集合Idletime[]，按照TO号排列；对Candidate[]和Idletime[]进行映射，若Candidate[]的个数大于Idletime[]的个数，没有空闲时隙映射的节点就在预留的时隙来发送；当出现几个节点的priority()大小相等，去竞争同一个预留时隙。其中，候选竞争节点集合Candidate[]是指包括本节点在内的发送时机产生冲突的所有节点或者是节点信息未知的新节点。

在步骤S7中，节点k在第Xk个TO中通过特定的机制预测自己下一次竞争成功的TO的编号。在预测过程中，分别对三种类型的MSH_DSCH消息(priority1()、priority2()、priority3())使用不同的策略。

参考图4，下面在步骤S71到S76中详细示出所采用的策略。

步骤S71)、对于任意节点k，首先设置静默时间(hold offt ime)＝H_k+H_p+1，其中，静默时间是指本次发送结束之后再发送下一次消息之间的等待时间，H_k为静默的帧数，H_p为静默的TO数。

步骤S72)、根据冲突域内节点个数Nk设置H_k＝Nk帧；

步骤S73)、H_p的计算需要考虑不同优先级的差别。设节点k当前发送MSH_DSCH为第FrameK帧的第M_k个TO。

进一步参考图5如下详细描述步骤S73，其中包括：

步骤S731)、如果MSH_DSCH消息优先级为priority1，则从每帧的开始进行搜索，需要后移Mk个TO，因此H_p(1)＝-M_k；

步骤S732)、如果MSH_DSCH消息优先级为priority2，则从每帧的末尾开始搜索，需要前移2^m-M_k-2^m-2个TO，因此H_p(2)＝2^m-M_k-2^m-2；

步骤S733)、如果MSH_DSCH消息优先级为priority3，则从每帧的中间开始搜索，因此H_p(3)＝2^m-1-M_k-2^m-3。

步骤S74)、预测本节点的发送时机，TX＝XK+hold off time。

步骤S75)、如果TX值在二进制位图中为1，则执行TX++，否则，使用该TX为本节点的下一次发送时机。

步骤S76)、若节点在搜索了最长搜索间隔P帧之后仍没有得到发送的机会，则使用最近一个预留时隙。

MSH-NCFG的调度

在本发明的另一个实施例中，提供一种MESH网络中基于冲突避免调度MSH-NCFG消息的方法，该方法总的包括，步骤S1)、节点收集冲突域范围内两跳邻居节点的下一次发送的TO编号，根据该TO编号在本节点保存的可用资源位图二进制位图上将该发送时刻更新不可用资源；步骤S2)、节点统计所有两跳范围内邻居节点个数Nk；步骤S3)、判断本节点k的发送时机与两跳范围内邻居节点的下一次发送时机是否发生冲突；步骤S4)、如果发送冲突，则在该节点的TO到来之前将自己的候选竞争节点集合Candidate[]按照nodeid大小排列，搜索二进制位图，检查空余时隙，形成空余时隙集合Idletime[]，按照TO号排列，对Candidate[]和Idletime[]进行映射；步骤S5)、节点在其TO中通过特定的机制预测自己下一次竞争成功的TO的编号；步骤S6)、在该节点的TO中，节点发送准备好的包含本节点下一次发送时机的控制消息。

在步骤S1中，无线MESH网络中的节点收集冲突域范围内两跳邻居节点的下一次发送的TO编号，根据该TO编号在本节点保存的可用资源二进制位图上将该发送时刻更新不可用资源。在可用资源二进制位图中，可用资源是指控制消息发送可用的时机，例如某一时刻i空闲，没有被其他节点占用，则二进制位图上i为0表明本节点可用。其中，冲突域是指本节点两跳范围内包含的所有节点，这是因为MESH网络中节点的冲突都是发生在两跳范围之内的。

在步骤S3中，判断本节点k的发送时机与两跳范围内邻居节点的下一次发送时机是否发生冲突。其中，本节点k的发送时机和邻居的下一次发送时机是否一样，如果一样，则表明冲突。如果发生冲突，进入步骤S4，如果没有冲突，进入步骤S5。

在步骤S4中，候选竞争节点集合Candidate[]是指包括本节点在内的发送时机产生冲突的所有节点或者是节点信息未知的新节点。

在步骤S5中，具体包括：步骤S51)、对于任意节点k，首先设置hold offtime＝H_k+1；其中，H_k为静默的帧数。

步骤S52)、根据冲突域内节点个数Nk设置Hk＝Nk帧；

步骤S53)、预测本节点的发送时机，TX＝XK+hold off time。

步骤S54)、如果TX值在二进制位图中为1，则执行TX++，否则，使用该TX为本节点的下一次发送时机。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (8)

1.一种MESH网络中基于冲突避免来调度MESH网络分布式调度MSH_DSCH消息的方法，包括：

步骤S1）、根据网络的帧结构确定MESH网络分布式调度MSH_DSCH消息的预留时隙，根据MESH网络分布式调度MSH_DSCH消息中包含的业务类型和对应数量计算MESH网络分布式调度MSH_DSCH消息的优先级；

步骤S2）、节点收集冲突域范围内两跳邻居节点的下一次发送的传输时机编号，在本节点保存的二进制位图上将发送时刻更新为不可用资源，其中，二进制位图中不可用资源指控制消息不可用的发送时机；

步骤S3）、统计所有两跳范围内邻居节点个数，确定本节点的发送时机与两跳范围内邻居节点的下一次发送时机是否发生冲突；

步骤S4）、如果发生冲突，在本节点的传输时机前将候选竞争节点集合按照优先级排列，根据二进制位图形成空余时隙集合，对候选竞争节点集合和空余时隙集合进行映射，选择在预留时隙发送或者竞争同一个预留时隙；

步骤S5）、对于信息未知的节点或者在步骤S4）中映射不成功的节点，选择在预留时隙发送或者竞争同一个预留时隙；在本节点的传输时机中，发送包含本节点下一次发送时机的控制消息。

2.权利要求1的方法，其中，步骤S4）还包括：

确定本节点的发送时机与两跳范围内邻居节点的下一次发送时机未发生冲突后，节点在其传输时机中预测下一次竞争成功的传输时机的编号。

3.权利要求1的方法，其中，步骤S1）中，根据MESH网络分布式调度MSH_DSCH消息中各业务的权值和对应数量的乘积获取MESH网络分布式调度MSH_DSCH消息的优先级。

4.权利要求3的方法，其中，步骤S1）中，如果一帧包含2^m个控制时隙，则确定预留时隙为2m-2，其中，所述预留时隙用于新节点、冲突节点或者其它高优先级的节点。

5.权利要求1的方法，其中，步骤S2）中，冲突域是指本节点两跳范围内包含的所有节点。

6.权利要求1的方法，其中，步骤S3）中，当节点的发送时机和邻居节点的下一次发送时机相同时，确定发生冲突。

7.权利要求6的方法，其中，步骤S4）中，其中，所述候选竞争节点集合指包括本节点的发送时机产生冲突的所有节点或者节点信息未知的新节点。

8.权利要求2的方法，其中，步骤S4）进一步包括：

步骤S41）、对于任意节点k，设置静默时间=H_k+H_p+1，其中，静默时间是指本次发送结束之后发送下一次消息之间的等待时间，H_k为静默的帧数，H_p为静默的传输时机数；

步骤S42）、根据冲突域内节点个数Nk设置H_k=Nk帧；

步骤S43）、根据MESH网络分布式调度MSH_DSCH消息优先级计算静默的传输时机数，设所述节点k当前发送MESH网络分布式调度MSH_DSCH消息为第FrameK帧的第M_k个传输时隙，其中，对于第一优先级，从每帧的开始搜索，H_{p- （1）}=-M_k；对于第二优先级，则从每帧的末尾搜索，H_p（2）=2^m-M_k-2^m-2；对于第三优先级，则从每帧的中间搜索，H_p（3）=2^m-1-M_k-2^m-3；

步骤S44）、预测本节点的发送时机TX，设所述节点k在第Xk个传输时隙中预测自己下一次竞争成功的传输时隙的编号，TX=Xk+静默时间；如果TX值为不可用资源，执行TX++，否则，使用该TX为下一次发送时机或者使用最近一个预留时隙。

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